基于32位DSP及電機(jī)驅(qū)動芯片的懸掛運動控制系統(tǒng)設(shè)計

 隨著32位DSP的普及，32位處理器已經(jīng)成為控制領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的微處理器相比速度更快、性能更強(qiáng)、資源豐富，更符合發(fā)展的腳步。TMS320F28027是一款32位的DSP，具有運算速度快、穩(wěn)定性高的優(yōu)點。本文利用TMS320F28027控制兩個步進(jìn)電機(jī)，從而使物體在平面內(nèi)運動，實現(xiàn)物體在平面內(nèi)可以任意地畫指定的曲線和圓等。圖1為懸掛系統(tǒng)的模型。

1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計

圖2為懸掛系統(tǒng)控制框圖，以TMS320F28027為控制芯片，利用L298N 驅(qū)動兩個步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)采用42HS4813A4，其額定電流為1.3A，步距角為1.8°，利用LCD-12864液晶顯示被控制物的實時坐標(biāo)?？刂?個步進(jìn)電機(jī)正向、反向轉(zhuǎn)動來達(dá)到物體在平面內(nèi)任意運動的效果。

圖1 懸掛系統(tǒng)的模型

圖2 懸掛系統(tǒng)控制框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 L298N

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。圖3為L298N模塊的電路原理圖。該芯片的主要特點是：工作電壓高，其最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器。利用2個L298N來分別控制2個步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的額定電流為1.3A，同時通2相時，電流為2.6A，L298N 可以達(dá)到42HS4813A4步進(jìn)電機(jī)的電流要求。

圖3 L298N模塊電路原理圖

2.2 絕對式編碼器

絕對式編碼器的精度必須要高于步進(jìn)電機(jī)的精度，所以這里采用的是10位絕對式編碼器。選用的型號是Mini1024J，精度為10位，優(yōu)點在于采用無接觸霍爾檢測技術(shù)，傳感器運行不受灰塵或其他雜物影響，很好克服了基于光學(xué)檢測原理的缺點。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 幾何關(guān)系1：從任意點移動到任意點算法

坐標(biāo)示意圖如圖4所示，有如下的邊長和角度關(guān)系：

圖4 坐標(biāo)示意圖

3.2 幾何關(guān)系2：當(dāng)前位置坐標(biāo)顯示算法

如圖5所示，存在以下的角度和邊長關(guān)系：

控制代碼如下：

圖5 坐標(biāo)示意圖

3.3 電機(jī)位置閉環(huán)控制方法

步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制框圖如圖6所示，TMS320F28027分別用2個定時器來控制兩個電機(jī)，用絕對式編碼器對位置進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行失步補(bǔ)償，保證位置正確，并且可以使曲線圓滑。

圖6 步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制框圖

步進(jìn)電機(jī)的型號為42HS4813A4，為了防止失步，步進(jìn)電機(jī)每步的最小間隔為4ms，并且用軟件對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了十六細(xì)分，即每步的間距為0.45°?？刂齐姍C(jī)部分的程序流程圖如圖7所示。

圖7 控制電機(jī)部分的程序流程圖

控制代碼如下：

3.4 畫圖算法

利用幾何關(guān)系任意點到任意點的算法，分別給處理器一連串的位置坐標(biāo)，控制物體的運動軌跡，如圖8所示。

圖8 畫圓取點示意圖

相同間隔取N個點，分別輸入處理器，來控制物體的坐標(biāo)。將取的點傳遞給TMS320F28027時，為了讓圓足夠的平滑，消去鋸齒狀，所以在圓上取了200個點?？刂拼a如下所示：

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)完成后，進(jìn)行了兩項測試，分別是畫圓運動和運動到指定點。

其中畫圓運動測試是在輸入圓心坐標(biāo)以及半徑后，對實際畫出圓的直徑與理論直徑作了對比，并且記錄了畫圓的耗時。此測試中，圓心坐標(biāo)為(40.0cm，40.0cm)，輸入的半徑值為30.0cm，測試結(jié)果如表1所列。

表1 畫圖運動測試結(jié)果

其中，運動到指定點測試是以坐標(biāo)原點為起始點，在輸入指定坐標(biāo)之后，對原點到指定點距離的理論值和實際值作了對比，并且記錄了運動完后回到原點的誤差距離，即是否能準(zhǔn)確回到原點。在此測試中，運動的原點坐標(biāo)為(0cm，0cm)，目標(biāo)坐標(biāo)為(49.0cm，50.0cm)，即距離原點為70.0cm，實際測試時，運動到(49.1cm，49.2cm)，即距離原點69.5cm，測試結(jié)果如表2所列。

表2 運動到指定點測試

由測試結(jié)果可看出，該系統(tǒng)具有高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的優(yōu)點，符合實驗預(yù)期。